此文為本人原創，首發于我的個人公眾號：贏仿設計。

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1.前言

Icepak中在太空環境的真空建模已有大量教程。太空環境因為不考慮重力，在整個求解域內不需計算速度場。但在某些應用場景中(地面環境)，例如真空電力開關柜、行波管、一個內部真空的機箱被空氣包圍，欲考察機箱與外部空氣的熱交換。此時整個求解域內要計算速度場，但同時機箱內部的局部真空又必須排除。結合仿真案例，本文介紹了Icepak的3項特殊功能(設置)(帶殼流體塊，靜止流體塊，求解時偽瞬態)，完美解決了局部真空的建模問題。

2.帶殼fluid block

Icepak的fluid block可以對單獨的面設置屬性如圖1，右側的resistance如果選擇thickness則可以設置面的固體材料，形成“帶殼”fluid block，作用等同enclosure。

                                                                              圖1

建立模型如圖2，紅色方塊為帶殼流體塊，流體材料、6個面的固體材料、表面材料均為默認值，內部小方塊為鋁塊(默認材料)，發熱量60W。計算域-Y面為opening速度入口0.3m/s，+Y面為opening壓力出口(選中static pressure)，其余4個面均為external conditions為temperature的wall。環境溫度20度，考慮輻射(DO模型)，重力方向-X。

                                                                                      圖2

  求解獲得鋁塊溫度場如圖3，垂直于Z軸的總體速度剖面如圖4，垂直于Z軸的鋁塊周邊速度場如圖5。

                                                                                 圖3

                                                                                圖4

                                                                                 圖5

把流體塊替換為同樣尺寸、同樣壁厚的enclosure如圖6，重新計算后鋁塊溫度場如圖7，垂直于Z軸的總體速度剖面如圖8，垂直于Z軸的鋁塊周邊速度場如圖9。可見與流體塊的結果差別極小。

                                                                               圖6 

                                                                                 圖7

                                                                                圖8

                                                                                    圖9

3.靜止流體

欲在計算域內局部空間設置真空，可先按局部空間尺寸建fluid block，再如圖10底部設置為靜止流體：選擇fixed velocity，3個方向速度均為0。流體材料需自建如圖11，設置極小的熱導率和熱擴散率。此靜止流體塊的優先級應低于內部的元件。Problem setup面板內仍然選中計算速度場，默認流體不變。

                                                                                圖10

                                                                                 圖11

4.規則外形局部真空分析實例

以圖6的模型為基礎，以enclosure內壁為邊界建立靜止流體塊(材料選擇圖11)，因為是真空狀態，enclosure內部已無對流換熱，關閉重力，其余設置不變。求解后，總體速度剖面如圖12，可見enclosure內部確實沒有氣流(即使打開重力，計算結果仍然不變，自然對流仍然沒有發生)。鋁塊的溫度場如圖13，注意由于沒有對流，Z向表面的溫度分布不同于圖7。但在總體溫度剖面圖14中，鋁塊與enclosure間的空間存在溫度梯度，根據真空熱輻射原理，由于此處沒有流體，空間溫度應是環境溫度。不論圖11中熱導率設置多么小，穩態求解時此溫度梯度總是存在，因為在穩態時，求解時間假設為無窮大。

                                                                               圖12

                                                                                 圖13

                                                                               圖14

                                                                                      圖15

如圖15，求解設置中，選中”使用壓力基的耦合算法”選項(coupled pressure-velocity formualtion)，并選中偽瞬態(pseudo transient)和高階項松弛因子(high order term relaxation)。重新計算后的溫度剖面如圖16，可見溫度梯度已消除。

                                                                                圖16

抑制圖12中的enclosure和靜止流體塊，以enclosure外壁為邊界建立帶殼靜止流體塊如圖17，設置6個面的輻射屬性，壁厚和材料同enclosure，流體材料選擇圖11。求解后溫度剖面如圖18。

                                                                                  圖17

                                                                                   圖18

5.不規則外形局部真空分析實例

如圖19，箱體為不規則外形，內部圓柱為熱源。利用Design modeler導入幾何后，先抑制圓柱，點擊主菜單Tools下的Fill，生成箱體的內部空間，導入Icepak后建模如圖20，設置內部空間元件的優先級低于熱源圓柱，設為fluid block，材料設置如圖11。網格劃分如圖21和圖22，可見內部空間元件占據了殼體與圓柱間的空間。

                                                                                 圖19

                                                                                  圖20

                                                                                 圖21

                                                                                 圖22

圓柱施加熱量20W，所有元件考慮輻射。求解設置從略。計算完成后速度場剖面如圖23，可見殼體內部確實無氣體流動，溫度場剖面如圖24，可見圓柱與殼體間的真空無溫度梯度。

                                                                                  圖23

                                                                                   圖24